“材料成型机械设备”课程虚拟实践教学应用研究

2019-04-22高彩茹丁桦张福波王皓天

科教导刊 2019年3期

高彩茹丁桦张福波王皓天

摘要介绍了东北大学材料成型与控制工程专业人才培养目标及实践教学环节与培养目标达成的关系，项目组专业教师为实践教学环节的改革开展的“轧机仿真互动式安装软件”开发工作及实践教学形式改革的尝试；总结了“轧机仿真互动式安装软件”开发及应用效果；指出轧机装配虚拟实践教学改革对冶金类高校专业课教学改革具有示范作用。

关键词材料成型机械设备仿真互动式教学软件虚拟实践教学能力培养

东北大学制定的材料成型与控制工程专业制定的人才培养目标为：（1）具有工程科学基础、工程专业技术及管理等知识。（2）能承担材料成形领域的设计、研发及工程管理工作，并能进行技术创新或管理机制创新。（3）具备管理工作团队及协调项目的能力，能组织制定项目计划并有效实施。（4）具有较强的社会责任感、良好的职业道德和人文素养。（5）能主动适应科学技术的发展，掌握新兴技术，具有可持续发展理念和国际视野。

對于以上目标的达成，实践教学环节占据十分重要的地位。实践教学有助于提高学生的感性认识，提高理论学习的效果，同时也提高学生动手能力与创新能力。[1]

学校相关部门采取相应的措施积极为学生提供实践教学平台与机会。除了教务部门为学生设置实践教学环节如金工实习、认识实习、生产实习，课程设计外，其它部门如学校或学院等还发起“节能减排大赛”、“工艺流程大赛”、“大学生创新创业训练计划”、“永冠杯全国铸造大赛”、“大学生挑战杯”等活动，吸引学生参与来扩展学生的视野同时提高学生的实践与创新能力。

作为专业课教师，本项目课题组也一直在寻求用自己的方式、从自己的角度，结合教师从事教学、科研工作为学生实践增加机会，提供平台。

2014年度辽宁省普通高等教育本科教学改革研究项目“材料成形类专业互动式实践教学系统的研发与应用”获批（项目编号UPRP20140714）。课题组决定从材料成型机械设备入手首先开展仿真互动式教学软件的开发及材料成型机械设备实验课内容的改革。

轧钢机械属于重装备，全部的轧机装配在投产前就已完成。一旦投入使用就不会经常进行整体拆装。只有在企业大修时才能够将部分易损零部件拆卸下进行维修或更换。因而学生即使参加认识实习和生产实习也只能看到其正常生产状态，鲜有机会亲见安装过程。[2-3]开发一个能够进行虚拟安装并且具有人机交互功能轧机安装软件并应用于教学实践，对于提高专业课教学效果、提高学生各方面能力意义十分重大。[4-7]

项目实施分两个阶段实施：（1）软件开发。（2）软件应用。

1 软件的开发

2014年11月至2016年3月为“轧机交互式仿真装配”软件的开发阶段。2016年4月软件正式进行压力测试及验收。软件完全根据某钢铁企业研究院实验轧机图纸按照1：1的关系创建零件三维图。零件组装顺序完全按照实际安装顺序进行，部件总装顺序也是严格按照实际安装顺序进行。零件形状尺寸真实，安装顺序真实。软件仿真度高。

所开发软件具有多模式学习、知识库学习、零件库零件随机摆放和安装部件闪烁提示、安装错误提示和人机交互等多种功能，为学生上机操作提供许多便利。

学习、组装和考核三种模式可以让学生分三个步骤进行学习、训练。 [8]进入学习模式中，可以通过知识库的学习认识零部件的形状、作用、安装部位、安装方法；进入组装模式中可以训练与现场安装步骤相同的组装、部装、总装过程，同时能够了解各组件、部件的相互位置关系；考核模式中，零件库中零件随机摆放，学生须根据自己对于轧机零部件及装配顺序的熟悉程度，从打乱顺序的零件库中找到零件，按照与组装模式中相同的顺序进行组装、部装和总装。总装结束后画面上给出时间记录。

通过鼠标的点击和拖曳，学生可以完成轧机的零部件组装-部装-总装过程。通过鼠标的上下左右移动改变轧机的位置；通过滚轮对零部件进行旋转放大及缩小；通过对滚轮压按拖动实现360八嬉庾性鄄臁R陨喜僮髂芄淮锏皆谏殖∈苌踩拗萍俺〉叵拗贫荒苁迪值墓鄄煨ЧH砑缑婷拦邸⒂押茫僮骷虻ァ？

软件不但能够通过局域网允许100名学生同时进行学习和安装操作，还可以应用单机版进行课堂演示。软件的各种功能及方便性完全可以满足在虚拟实验室开展虚拟轧机安装的实践教学需求。

2 软件应用及实验课改革的实施

2016年5月至2017年3月为软件的试用阶段。在此阶段中，教师于2016年5月第一次将软件应用于课堂教学演示与部分学生课堂参与试安装。通过教师的演示，学生看到轧机的外部形状、内部构造，对于各部件之间的位置关系，安装的合理顺序有了较深入的了解。部分学生参与模拟组装，也让更多的学生产生了浓厚的学习兴趣，参与意识大大增强。

在此期间内，还应部分学生的要求，让学生应用自己的电脑在课余时间上机操作，仿真安装。学生的学习热情非常高涨。

2017年3月至2018年5月为“轧机交互式仿真装配”软件的正式应用阶段。2016年，为实现实践教学内容到形式的全面改革，对材料成型与控制工程专业“材料成型机械设备”教学大纲实验课内容正式修改为轧机仿真交互安装，并获得东北大学教务部门批准。2017年3月，以东北大学网络中心教室作为虚拟实验室，以电脑终端虚拟实验设备，将“轧机交互式仿真装配”软件首次投入实验课应用，2014级约180名学生独立操作电脑，完整地完成了一次轧制设备仿真安装过程。受到了一次零部件知识与安装过程的系统训练；2018年5月，“轧机交互式仿真装配”软件第二次成功地应用于 “材料成型机械设备”实验课，约180名2015级材料成型及控制工程专业学生应用此软件进行了虚拟轧机安装实验。至此，“材料成型机械设备”实验课完成了从教学内容到教学形式的全面改革。

3 应用情况及效果

3.1 课堂教学应用

“轧机交互式仿真装配”实践教学软件在2016、2017、2018年连续三年的课堂教学中应用。教学中的演示安装，激发了学生的学习兴趣，提高了参与热情。学生普遍反映对枯燥的设备有了生动的认识。

3.2 实验课教学应用

2017年，2018年连续两年在2014级、2015级材料成型与控制工程专业设备课实验课教学中应用。已经有360人次左右应用了该软件进行了仿真安装。通过学生自己虚拟安装操作，加深了对轧制设备零部件作用、结构等的认识。在2个学时的实验课上，学生用1小时在学习模式和组装模式下进行学习和训练。用1小时在考核模式下组装。实验课现场调查表明，2014级有60%的学生在30min内完成了设备的组装；2015级有80%的学生在50min内完成了设备的组装。

2017年与2018年，分别在2014级与2015级学生实验完成后，对参与实验的学生进行了问卷调查，目的是调查采用虚拟实验教学方法与互动式安装轧机所达到了教学效果。发放调查问卷366份，回收351份。结果见表1。

调查问卷共设置7个问题。回收的351份调查问卷中显示：348人认为“材料成型机械设备”实验课采用“轧机交互式仿真装配”方式合适，占有效调查人数的95.9%；348人认为通过交互式软件进行轧机的模拟安装能够增强对轧机结构和零部件的认识，占有效调查人数的95.9%；323人认为在安装过程中对知识库进行了关注，占有效调查人数的92%；332人通过知识库了解零（部）件的名称和作用，占有效调查人数的94.6%；347人在考核模式安装之前，首先在学习模式、组装模式下进行了仿真安装，占有效调查人数的98.9%。

在对“材料成型机械设备”实验课采用“轧机交互式仿真装配”方式的教学效果进行综合评价环节，2015级有约96%的同学认为此次实验课使得学生对轧机设备的认识更加充分，其中有近30%的同学提到此次实验增加了对课程学习的兴趣。

在个人对该实验课的建议环节，2014级90%同学，2015级80%同学提出应该增加实验课学时。

4 结语

综合课堂教学效果及调查问卷结果，可以得出“‘材料成型机械设备课程虚拟实践教学应用的研究”取得的教学效果显著。

（1）解决了课堂教学中学生对轧机结构理解难的教学问题，提高了学生的感性认识和学习兴趣。

（2）改变了学生观摩设备时人员多，现场教学效果差，学生不能亲自动手安装的难题。

（3）对仿真安装中对零部件作用及相互关系的理解可提高学生对设备的设计能力。

（4）此项虚拟式教学+交互式设备安装实验课教学改革在全国高校材料成型及控制工程专业尚属首例，有引领行业高校专业课实践教学改革的示范作用。

参考文献

[1] 张华，倪红卫，何环宇，等.冶金工程专业生产实习教学改革探索[J].中国冶金教育，2009（4）：58- 60.

[2] 高彩茹，丁桦，张福波，等.虚拟实践教学软件项目实施过程中的人才培养[J].中国冶金教育，2016（1）：33-34.

[3] 高彩茹，丁桦，张福波，等.虚拟实践教学软件的开发实踐与人才培养[J].科教导报，2016（5）：51-54.